طراحی لرزه ای ساختمان های فولادی قطری به روش تحلیل هزینه چرخه عمر

غرشی, احسان; منصوری, محمدرضا; حسینی, میرحمید

doi:10.22065/jsce.2024.473965.3498

طراحی لرزه ای ساختمان های فولادی قطری به روش تحلیل هزینه چرخه عمر

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

احسان غرشی ¹

محمدرضا منصوری ²

میرحمید حسینی ²

¹ دانشجوی دکترای تخصصی عمران-سازه، دانشکده عمران معماری و هنر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² استادیار، دانشکده عمران معماری و هنر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

10.22065/jsce.2024.473965.3498

چکیده

تحلیل هزینه چرخه عمر و طراحی براساس عملکرد دو رویکرد مکمل در مهندسی سازه هستند که ارتباط نزدیکی با هم دارند. طراحی براساس عملکرد، اهداف و الزامات خاصی برای کارایی سازه‌ها تعیین می‌کند، که شامل مقاومت در برابر نیروهای مختلف و بهبود دوام و پایداری است. از سوی دیگر، تحلیل هزینه چرخه عمر، هزینه‌های کل طول عمر سازه را از مرحله ساخت تا پایان عمر آن ارزیابی می‌کند. با ترکیب این دو رویکرد، می‌توان به طراحی سازه‌هایی دست یافت که نه تنها الزامات عملکردی را برآورده می‌کنند بلکه از نظر اقتصادی نیز بهینه هستند. سیستم سازه‌ای قطری به دلیل ویژگی‌های زیباشناسی و ساختاری، جذابیت زیادی دارد.از آنجاییکه تحلیل هزینه چرخه عمر در طراحی سازه‌ها در تحقیقات مرتبط با سازه‌های قطری کمتر مورد بررسی قرار گرفته است، این مطالعه به بررسی طراحی لرزه‌ای سازه‌های فولادی با سیستم‌ سازه‌ای قطری و در نظر گرفتن هزینه چرخه عمر پرداخته است. وزن، دریفت، شتاب و نوع مقطع قطری در حالت‌های مختلف خسارت مورد بررسی قرار گرفته‌اند. مدل‌سازی و تحلیل عددی با نرم‌افزار OPENSEES انجام شده و برای دستیابی به منحنی شکنندگی، تحلیل دینامیکی غیرخطی با ۲۲ جفت رکورد زلزله حوزه دور صورت گرفته است. و هزینه چرخه عمر محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهد که با تغییر مقطع اعضای قطری از W-section به HSS و افزایش وزن اندک سازه به طور متوسط ظرفیت فروریزش تا 2.37 برابر افزایش می‌یابد. همچنین نتایج تحلیل سازه براساس هزینه چرخه عمر نشان می‌دهد که هزینه اولیه بدست آمده برای سازه در سطح عملکرد مورد نظر بر اساس روش‌های تجویزی آیین نامه کمتر از مقدار واقعی هزینه مورد نیاز برای رسیدن به آن سطح عملکرد است. این تحقیق یک روش جامع و نوآورانه برای طراحی لرزه‌ای سازه‌های قطری ارائه می‌دهد که به‌طور همزمان شامل تحلیل هزینه چرخه عمر، انتخاب مقاطع بهینه و ارزیابی دقیق عملکرد سازه‌ای و اقتصادی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

هزینه چرخه عمر

تحلیل دینامیکی غیرخطی

سیستم سازه ای قطری

طراحی براساس عملکرد

سازه‌ فولادی

موضوعات

مهندسی سازه و زلزله

عنوان مقاله English

Seismic Design of Diagonal Steel Structures Using Life Cycle Cost Analysis Method

نویسندگان English

Ehsan Ghorreshi ¹

Mohammad Reza Mansoori ²

Mir Hamid Hosseini ²

¹ Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

² Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده English

Life cycle cost analysis and performance-based design are two complementary approaches in structural engineering that are closely related. Performance-based design sets specific goals and requirements for the performance of structures, including resistance to various forces and improvement of durability and sustainability. On the other hand, life cycle cost analysis evaluates the total costs associated with a structure over its entire lifespan, from construction to decommissioning. By combining these two approaches, it is possible to design structures that meet functional requirements while also being economically optimized. Diagonal structural systems are particularly appealing due to their aesthetic and structural qualities. Since life cycle cost analysis has been less explored in the context of diagonal structures, this study focuses on the seismic design of steel structures with diagonal systems, incorporating life cycle cost considerations. The analysis investigates weight, drift, acceleration, and diagonal section types under different damage scenarios. Numerical modeling and analysis were conducted using OPENSEES software, with nonlinear dynamic analysis performed using 22 pairs of far-field earthquake records to derive fragility curves and calculate life cycle costs.The results demonstrate that by changing the diagonal members from W-section to HSS and slightly increasing the weight of the structure, the collapse capacity increases by an average of 2.37 times. Additionally, the life cycle cost analysis reveals that the initial costs calculated for the structure under prescriptive code-based methods are lower than the actual costs required to achieve the desired performance level. This research presents a comprehensive and innovative approach to the seismic design of diagonal structures, integrating life cycle cost analysis, optimal section selection, and precise evaluation of structural and economic performance.

کلیدواژه‌ها English

Life cycle cost

Nonlinear dynamic analysis

Diagrid structural system

Performance-based design

Steel Structure

[1] Zhang, B., Li, H., & Ke, K. (2023). New Advances in High-Performance Steel and Composite Structures under Extreme Loads. Materials Journal, MDPI.

[2] Hu, F., Li, H.(2024). Advances in Steel Structures: Testing, Modelling and Design. Buildings Special Issue, MDPI.

[3] Li, J., Wang, X., & Zhang, Y. (2023). Recent Advances in Performance-Based Seismic Design. Journal of Structural Engineering, 149(6), 04023100.

[4] Wang, Z., & Adli, M. (2023). Displacement-based Design in Performance-Based Seismic Design. Seismic Design Review, 21(1), 102-115.

[5] Dong, H., Zhang, Y., & Li, S. (2024). Hybrid Approaches in Performance-Based Seismic Design. Engineering Structures, 281, 114-128.

[6] Gerin, P., & Zhai, X. (2023). Implementation of Performance-Based Seismic Design in Bridge Infrastructure in Seismic Zones. Canadian Journal of Civil Engineering, 50(4), 578-589.

[7] Rafi, M., & Adli, M. (2023). Performance Objectives in Seismic Design: Life Safety and Beyond. Journal of Earthquake Engineering, 30(3), 456-469.

[8] Noureldin, M., & Kim, J. (2023). Simplified Life Cycle Cost Estimation of Low-Rise Steel Buildings Using Fundamental Period. Sustainability, 15(3), 2706.

[9] Vázquez-Lopez, M., et al. (2024). Life cycle cost analysis of multi-hazard resistant buildings. Journal of Structural Engineering, 150(4), 0602304.

[10] Mahmoud, M., & Cheng, L. (2023). Probabilistic framework for life cycle cost evaluation of structural designs. Engineering Structures, 278, 114128.

[11] Cutfield, J., et al. (2023). Life Cycle Cost Analysis of Base-Isolated Steel Braced Frames. Structural Safety, 97, 101342.

[12] Plevris, V. and Mitropoulou, M. and Lagaros, N. (2012). Structural Seismic Design Optimization and Earthquake Engineering: Formulations and Applications, 1-22.

[13] Baker, W. and Besjak, C. and Sarkisian, M. and Lee, P. and Doo, C. (2010). Proposed methodology to determine seismic performance factors for steel diagrid framed systems. CTBUH technical paper, Council of Tall Buildings and Urban Habitat, Chicago, Illinois.

[14] Asadi, E. and Adeli, H. (2018). Nonlinear Behavior and Design of Mid-To-Highrise Diagrid Structures in Seismic Regions. Engineering Journal, 55, 161-180.

[15] Kim, J. and Lee, Y. (2012). Seismic Performance Evaluation of Diagrid System Buildings. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 21(10), 736–749.

[16] Boake, T. (2014). Diagrid Structures: Systems, Connections and Details, Basel, 77–93.

[17] Mele, E. and Toreno, M. and Brandonisio, G. and Luca, A. (2014). Diagrid structures for tall buildings: case studies and design considerations. Struct Design Tall Spec Build, 23(2), 124–145.

[18] Asadi, E. and Adeli, H. (2018). Seismic performance factors for low- to mid-rise steel diagrid structural systems. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 27(15), e1505.

[19] American Institute of Steel Construction, (2016). ANSI/AISC360-16,Specification for structural steel buildings, Chicago.

[20] Pacific Earthquake Engineering Research Center, (2017). OpenSees, Open system for earthquake engineering simulation., Berkeley, California. Available at: http://opensees.berkeley.edu/.

[21] Menegotto, M. and Pinto, P. (1973). Method of analysis for cyclically loaded R.C. plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under combined normal force and bending. In: IABSE symposium on the resistance and ultimate deformability of structures acted on by well-defined repeated loads. Zurich.

[22] Uriz, P. and Filippou, F. and Mahin, S. (2008). Model for cyclic inelastic buckling of steel braces. Journal of Structural Engineering, 134(4), 619–628.

[23] Rofooei, F. and Seyedkazemi, A. (2020). Evaluation of the seismic performance factors for steel diagrid structural systems using FEMA P-695 and ATC-19 procedures. Bulletin of Earthquake Engineering, 18(7), 4873–4910.

[24] Federal Emergency Management Agency, (2009). FEMAP-695, Quantification of building seismic performance factors. ATC-63 report, Washington, D.C.

[25] Vamvatsikos, D. and Cornell, CA. (2002). Incremental dynamic analysis. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 31(3), 491–514.

[26] Hsiao, P.C. (2012). Seismic Performance Evaluation of Concentrically Braced Frames. Ph.D. University of Washington, Seattle, WA.

[27] Department Security, U. S., and Federal Emergency Agency. (2020). HAZUS, Estimated Earthquake Losses for the United States.

[28] Yun, S. and Hamburger, R. and Cornell, C. and Foutch, D. (2002). Seismic Performance Evaluation for Steel Moment Frames. Journal of Structural Engineering-ASCE, 128(4), 534–545.

[29] Petersen, M. and Frankel, A. and Harmsen, S. and Mueller, C. and Haller, K. and Wheeler, R. and Wesson, R. and Zeng, Y. and Boyd, O. and Perkins, D. and Luco, N. and Field, E. and Wills, C. and Rukstales, K. (2008). Documentation for the 2008 update of the United States national seismic hazard maps. Open-File Report2008–1128. US Geological Survey.

[30] Baker, J. (2015). Efficient Analytical Fragility Function Fitting Using Dynamic Structural Analysis. Earthquake Spectra, 31(1), 579–599.